计算机程序的思维逻辑 - 条件执行的本质

Posted 2023-02-14 threenerd

条件执行

前面几节我们介绍了如何定义数据和进行基本运算，为了对数据有透彻的理解，我们介绍了各种类型数据的二进制表示。

现在，让我们回顾程序本身，只进行基本操作是不够的，为了进行有现实意义的操作，我们需要对操作的过程进行流程控制。流程控制中最基本的就是条件执行，也就是说，某些操作只能在某些条件满足的情况下才执行，在一些条件下执行某种操作，在另外一些条件下执行另外某种操作。这与交通控制中的红灯停、绿灯行条件执行是类似的。

Java中表达这种流程控制的基本语法是If语句。

if

if的语法为:

if(条件语句)
  代码块

或

if(条件语句) 代码; 

它表达的含义也非常简单，只在条件语句为真的情况下，才执行后面的代码，为假就不做了。具体来说，条件语句必须为布尔值，可以是一个直接的布尔变量，也可以 是变量运算后的结果，我们在第3节介绍过，比较运算和逻辑运算的结果都是布尔值，所以可作为条件语句。条件语句为true，则执行括号中的代码，如果后面没有括号，则执行后面第一个分号(;)前的代码。

如，只在变量为偶数的情况下输出：

int a=10;
if(a%2==0)
   System.out.println("偶数");

或

int a=10;
if(a%2==0) System.out.println("偶数");

if的陷阱

初学者有时会忘记在if后面的代码块中加括号，有时希望执行多条语句而没有加括号，结果只会执行第一条语句。建议所有if后面都跟括号。

if/else

if实现的是条件满足的时候做什么操作，如果需要根据条件做分支，即满足的时候执行某种逻辑，而不满足的时候执行另一种逻辑，则可以用if/else。

if/else的语法是:

if(判断条件)
   代码块1
else
   代码块2

if/else也非常简单，判断条件是一个布尔值，为true的时候执行代码块1，为假的时候执行代码块2。

三元运算符

我们之前介绍了各种基本运算，这里介绍一个条件运算，和if/else很像，叫三元运算符，语法为：

判断条件 ? 表达式 1 ： 表达式2

三元运算符会得到一个结果，判断条件为真的时候就返回表达式1的值，否则就返回表达式2的值。三元运算符经常用于对某个变量赋值，例如求两个数的最大值：

int max = x > y ? x : y;

三元运算符完全可以用if/else代替，但在某些场景下书写更简洁。

if/else if/else

如果有多个判断条件，而且需要根据这些判断条件的组合执行某些操作，则可以使用if/else if/else。

语法是

if(条件1)
  代码块1
else if(条件2)
  代码块2
...
else if(条件n)
   代码块n
else
   代码块n+1
 

if/else if/else也比较简单，但可以表达复杂的条件执行逻辑，它逐个检查条件，条件1满足则执行代码块1，不满足则检查条件2，...，最后如果没有条件满 足，且有else语句，则执行else里面的代码。最后的else语句不是必须的，没有就什么都不执行。

if/else if/else陷阱

需要注意的是，在if/else if/else中，判断的顺序是很重要的，后面的判断只有在前面的条件为false的时候才会执行。初学者有时会搞错这个顺序，如下面的代码：

if(score>60)
  return "及格";
else if(score>80)
  return "良好";
else
  return "优秀"

看出问题了吧？如果score是90，可能期望返回"优秀"，但实际只会返回"及格".

switch

在if/else if/else中，如果判断的条件基于的是同一个变量，只是根据变量值的不同而有不同的分支，如果值比较多，比如根据星期几进行判断，有7种可能性，或者根据英文字母进行判断，有26种可能性，使用if/else if/else显的比较啰嗦，这种情况可以使用switch，switch的语法是：

switch(表达式)
   case 值1：
           代码1; break;
   case 值2:
           代码2; break;
           ...
    case 值n:
          代码n; break;
    default: 代码n+1

switch也比较简单，根据表达式的值执行不同的分支，具体来说，根据表达式的值找匹配的case，找到后，执行后面的代码，碰到break时结束，如果没有找到匹配的值则执行default中的语句。

表达式值的数据类型只能是 byte, short, int, char, 枚举, 和String (Java 1.7以后)。枚举和String我们在后续文章介绍。

switch会简化一些代码的编写，但break和case语法会对初学者造成一些困惑。

容易忽略的break

break是指跳出switch语句，执行switch后面的语句。每条case语句后面都应该跟break语句，否则的话它会继续执行后面case中的代码直到碰到break语句或switch结束，例如：下面的代码会输出所有数字而不只是1.

int a = 1;
switch(a)
case 1:
    System.out.println("1");
case 2:
    System.out.println("2");
default:
    System.out.println("3");

case堆叠

case语句后面可以没有要执行的代码，如下所示：

char c = 'x';//某字符
switch(c)
   case 'A':
   case 'B':
   case 'C':
        System.out.println("A-Z");break;
   case 'D':
       ....

case 'A'/'B'后都没有紧跟要执行的代码，他们实际会执行第一块碰到的代码，即case 'C'匹配的代码

条件小结

条件执行总体上是比较简单的，单一条件满足时执行某操作使用if，根据一个条件是否满足执行不同分支使用if/else，表达复杂的条件使用if/else if/elese，条件赋值使用三元运算符，根据某一个表达式的值不同执行不同的分支使用switch。

从逻辑上讲，if/else, if/else if/else，三元运算符，switch都可以只用if代替，但使用不同的语法表达更简洁，在条件比较多的时候，switch从性能上也更高（马上解释为什么）。

条件本质

正如我们探讨数据类型的时候，研究数据的二进制表示一样，我们也来看下这些条件执行具体是怎么实现的。

程序最终都是一条条的指令，CPU有一个指令指示器，指向下一条要执行的指令，CPU根据指示器的指示加载指令并且执行。指令大部分是具体的操作和运算，在执行这些操作时，执行完一个操作后，指令指示器会自动指向挨着的下一个指令。

但有一些特殊的指令，称为跳转指令，这些指令会修改指令指示器的值，让CPU跳到一个指定的地方执行。跳转有两种，一种是条件跳转，另一种是无条件跳转。条件跳转检查某个条件，满足则进行跳转，无条件跳转则是直接进行跳转。

if, else实际上会转换为这些跳转指令，比如说下面的代码：

1 int a=10;
2 if(a%2==0)
3 
4    System.out.println("偶数");
5 
6 //其他代码

转换到的转移指令可能是：

1 int a=10;
2 条件跳转: 如果a%2==0,跳转到第4行
3 无条件跳转：跳转到第7行
4 
5    System.out.println("偶数");
6 
7 //其他代码

你可能会奇怪其中的无条件跳转指令，没有它不行吗？不行，没有这条指令，不管什么条件，括号中的代码都会执行。

不过，对应的跳转指令也可能是：

1 int a=10;
2 条件跳转: 如果a%2!=0,跳转到第6行
3 
4    System.out.println("偶数");
5 
6 //其他代码

这个就没有无条件跳转指令，具体怎么对应和编译器实现有关。在单一if的情况下可能不用无条件跳转指令，但稍微复杂一些的情况都需要。if, if/else, if/else if/else, 三元运算符都会转换为条件跳转和无条件跳转。但switch不太一样。

switch的转换和具体系统实现有关，如果分支比较少，可能会转换为跳转指令。但如果分支比较多，使用条件跳转会进行很多次的比较运算，效率比较低，可能会使用一种更为高效的方式，叫跳转表。跳转表是一个映射表，存储了可能的值以及要跳转到的地址，形如：

值1	代码块1的地址
值2	代码块2的地址
...
值n	代码块n的地址

跳转表为什么会更为高效呢？因为，其中的值必须为整数，且按大小顺序排序。按大小排序的整数可以使用高效的二分查找，即先与中间的值比，如果小于中间的值则在开始和中间值之间找，否则在中间值和末尾值之间找，每找一次缩小一倍查找范围。如果值是连续的，则跳转表还会进行特殊优化，优化为一个数组，连找都不用找了，值就是数组的下标索引，直接根据值就可以找到跳转的地址。即使值不是连续的，但数字比较密集，差的不多，编译器也可能会优化为一个数组型的跳转表，没有的值指向default分支。

程序源代码中的case值排列不要求是排序的，编译器会自动排序。之前说switch值的类型可以是byte, short, int, char, 枚举和String。其中byte/short/int本来就是整数，在上节我们也说过，char本质上也是整数，而枚举类型也有对应的整 数，String用于switch时也会转换为整数(通过hashCode方法，后文介绍），为什么不可以使用long呢？跳转表值的存储空间一般为32位，容纳不下long。

总结

条件执行的语法是比较自然和容易理解的，需要注意的是其中的一些语法细节和陷阱。它执行的本质依赖于条件跳转、无条件跳转和跳转表。

条件执行中的跳转只会跳转到跳转语句以后的指令，能不能跳转到之前的指令呢？

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